Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br />
<br />
Soá 1/2013<br />
<br />
THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br />
<br />
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRO BAY LÀM PHỤ GIA TRONG VỮA<br />
VÀ BÊ TÔNG TRÊN NỀN GEOPOLYMER<br />
POTENTIAL APPLICATIONS OF ADDING FLY ASH BASED GEOPOLYMER<br />
MORTAR AND CONCRETE<br />
Nguyễn Thắng Xiêm1<br />
Ngày nhận bài: 11/10/2012; Ngày phản biện thông qua: 17/12/2012; Ngày duyệt đăng: 15/3/2013<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Kể từ khi công thức hóa học của vật liệu geopolymer được tìm ra bởi giáo sư người Pháp Joseph Davidovits, nhiều<br />
nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu và tìm hiểu tất cả các tính chất của chúng nhằm áp dụng rộng rãi vật liệu này vào<br />
cuộc sống. Geopolymer nổi lên như là một vật liệu mới với các tính chất thích hợp để bảo vệ môi trường; và chúng cũng<br />
được xem như là một vật liệu mới dùng để phủ, là chất kết dính các sợi trong composite và xi măng mới trong bê tông.<br />
Geopolymer xi măng được tổng hợp từ bột xi măng của đá phiến sét sau khi nung trong lò quay (10 giờ ở nhiệt độ 7500C)<br />
theo tỷ lệ Si/Al = 2 và kết hợp với NaOH và Na2SiO3. Mục đích của nghiên cứu là quan sát sự ảnh hưởng của tro bay đến<br />
cơ tính của vữa và bê tông geopolymer. Cấu trúc của tro bay và geopolymer xi măng được thực hiện trên kính hiển vi điện<br />
tử quét (SEM) và phân tích nhiễu xạ tia X (EDX).<br />
Từ khóa: tro bay, xi măng, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, năng lượng va đập<br />
<br />
ABSTRACT<br />
Since the chemistry of geopolymer materials was discovered by Prof. Joseph Davidovits, many scientists have studied<br />
these new materials and investigated all properties of them that apply to our lives. Geopolymers have emerged as a promising<br />
new material with environmentally sustainable properties. And they also have promising as a new material for coatings<br />
and adhesives, a new binder for fiber composites, and new cement for concrete. Geopolymer cement was synthesized from<br />
cement powder of shale burnt in rotary kiln (for 10 hours at 750 oC) with Si/Al molar ratio of 2.0 and combination with<br />
sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3). The purpose of this research is observing the influence of fly ash<br />
on mechanical properties of geopolymer mortar and concrete. Microstructural observations of fly ash and geopolymer<br />
cement have been carried out by means of scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray analysis (EDX).<br />
Keywords: fly ash, cement, compressive strength, flexural strength, impact energy<br />
I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Như chúng ta đã biết việc sản xuất xi măng<br />
Portland thường thải ra một lượng lớn khí CO2 vào<br />
bầu khí quyển, do quá trình phản ứng hóa học tạo ra<br />
CO2 từ việc nung đá vôi (canxi cacbonat - CaCO3) ở<br />
nhiệt độ rất cao (khoảng 1450 oC) với silic oxít (SiO2)<br />
theo phản ứng:<br />
5CaCO3 + 2SiO2 → (3CaO,SiO2) + (2CaO,SiO2) + 5CO2<br />
Quá trình sản xuất 1 tấn xi măng Portland sẽ<br />
thải ra khoảng 1 tấn khí CO2 vào bầu khí quyển<br />
(Davidovits, 2008). Sự thật là có khoảng 2,5 tỷ tấn<br />
1<br />
<br />
xi măng được sản xuất mỗi năm, nghĩa là mỗi người<br />
trên hành tinh này phải gánh chịu 0,3 tấn khí CO2.<br />
Đến năm 2050, sản lượng toàn cầu dự kiến sẽ đạt<br />
5 tỷ tấn, nghĩa là sẽ thải ra khoảng 5 tỷ tấn CO2<br />
vào khí quyển (Temuujin, 2009). Vì vậy nhu cầu cần<br />
tìm một loại chất kết dính thân thiện với môi trường<br />
nhằm thay thế xi măng truyền thống là một điều<br />
hết sức cần thiết. Gần đây, geopolymer đã nổi lên<br />
như là một vật liệu mới với các tính chất thích hợp<br />
để bảo vệ môi trường. Chúng thu hút sự quan tâm<br />
của các nhà khoa học do tính chất chịu lửa tốt (lên<br />
đến 10000C), có cơ tính và độ bền lâu, có khả năng<br />
<br />
TS. Nguyễn Thắng Xiêm: Khoa Xây dựng - Trường Đại học Nha Trang<br />
<br />
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 85<br />
<br />
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br />
<br />
Soá 1/2013<br />
<br />
cố định các ion kim loại nặng và độ kháng axit (bao gồm cả nước biển), có độ co và dẫn nhiệt thấp (Shuzheng<br />
và cs, 2004; Hardjito và cs, 2005; Duxson và cs, 2007; Davidovits, 2008; Temuujin, 2009). Khả năng ứng dụng<br />
của vật liệu geopolymer được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: công nghiệp ô tô và hàng không vũ<br />
trụ, đặc biệt là cho các ứng dụng mà yêu cầu cần chịu nhiệt độ cao và cách nhiệt, gốm mới, xi măng, amiăng<br />
và vật liệu công nghệ cao (Davidovits, 1991; Malhotra, 1991; Davidovits, 2008).<br />
Geopolymer là tập hợp các chuỗi hay mạng lưới của các phân tử khoáng vô định hình liên kết với nhau<br />
thông qua các liên kết cộng hóa trị. Quá trình geopolymer hóa (là quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu<br />
Geopolymer) liên quan đến phản ứng hóa học của aluminosilicate oxit (Si2O5, Al2O2) với polysilicate kiềm nhằm<br />
dễ tạo ra phản ứng trùng ngưng polymer hình thành mối liên kết giữa Si-O-Al. Quá trình geopolymer hóa phụ<br />
thuộc vào tỷ lệ Si/Al, Davidovits đã phân biệt polysilicate thành bốn loại khác nhau là Poly(sialate) có dạng<br />
(-Si-O-Al-O-) với Si/Al = 1, Poly(sialate-siloxo) có dạng (-Si-O-Al-O-Si-O-) với Si/Al = 2, Poly(sialate-disiloxo)<br />
có dạng (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) với Si/Al = 3, Poly (sialate-multisiloxo) với Si/Al >> 3 (Shuzheng và cs, 2004;<br />
Hardjito và cs, 2005; Duxson và cs, 2007; Davidovits, 2008). Nói chung, bất kỳ đất sét khoáng chất có chứa hàm<br />
lượng SiO2 và Al2O3 cao đều có thể được pha loãng vào các dung dịch kiềm mạnh (như NaOH hoặc KOH) để<br />
tạo một chuỗi phản ứng tỏa nhiệt của quá trình ge polymer hóa tạo vật liệu geopolymer.<br />
Tro bay (fly ash) là sản phẩm của quá trình đốt cháy than nghiền tại các nhà máy nhiệt điện. Tro bay có kích<br />
thước hạt từ 1μm to 150μm và đa số là có hình cầu (mịn hơn so với xi măng Portland và vôi). Tùy thuộc vào<br />
nguồn và thành phần của than bị đốt cháy, thành phần hóa học của tro bay có thay đổi đáng kể. Tuy nhiên, thành<br />
phần chính của tất cả tro bay là tương tự nhau và có thành phần gần giống xi măng Portland như SiO2, Al2O3,<br />
Fe2O3 và CaO, trong khi Mg, K, Na, Ti, và S chiếm số lượng ít hơn. Tùy thuộc vào hàm lượng cacbon nhiều hay<br />
ít mà tro bay có màu xám hay đen. Nếu tro bay có màu sáng cho thấy hàm lượng cacbon thấp. Hàng năm, các<br />
nhà máy nhiệt điện đã thải ra một lượng lớn tro bay, do vậy tro bay đã trở thành mối quan tâm của các nhà môi<br />
trường thế giới. Sử dụng các loại vật liệu này giúp giảm chi phí sản xuất sản phẩm và giảm đáng kể hiệu ứng<br />
nhà kính từ việc sản xuất xi măng và bê tông (Malhotra, 1994; Assosiation, 2003; Lee và cs, 2003; Potgieter và<br />
cs, 2003; Hewlett, 2004; Fansuri, 2006; Mines, 2006; Ahmaruzzaman, 2010).<br />
Trong bài báo này, tác giả sử dụng bột xi măng được hình thành từ đá phiến sét sau khi nung trong lò quay<br />
kết hợp với dung dịch kiềm để tạo ra vật liệu geopolymer xi măng. Và mục đích của nghiên cứu là quan sát sự<br />
ảnh hưởng của việc bổ sung tro bay đến cơ tính của vữa và bê tông.<br />
II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br />
1. Vật liệu<br />
1.1. Hỗn hợp geopolymer<br />
Vật liệu geopolymer được tổng hợp từ bột xi măng của đá phiến sét đốt trong lò quay (ở nhiệt độ 750 oC với<br />
thời gian là 10 giờ) với tỷ lệ giữa Si/Al bằng 2 kết hợp với dung dịch kiềm (NaOH + Na2SiO3 với môđun bằng 1,5)<br />
để tạo ra geopolymer xi măng.<br />
Bột xi măng có diện tích bề mặt là 20,8m2/g, kích thước trung bình là d50 = 4,2μm và d90 = 9.3μm. Bảng 1 mô<br />
tả thành phần hóa học chính của bụi bay sau khi được phân tích bởi nhiễu xạ tia X (XRD).<br />
Bảng 1. Thành phần hóa học chính của bụi bay được xác định bởi XRD<br />
Thành phần<br />
% khối lượng<br />
<br />
Al2O3<br />
41.6<br />
<br />
SiO2<br />
52.6<br />
<br />
Fe2O3<br />
2.6<br />
<br />
SO3<br />
1.1<br />
<br />
CaO<br />
<br />
LOI<br />
<br />
0.8<br />
<br />
1.3<br />
<br />
(a)<br />
(b)<br />
Hình 1. Hình SEM của bột xi măng<br />
(a) với độ phóng đại 5000 lần và geopolymer xi măng khi đóng rắn (b) phóng đại 500 lần<br />
<br />
86 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br />
<br />
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br />
<br />
Soá 1/2013<br />
khi đóng rắn có nhiều vết nứt, vì vậy việc thêm<br />
tro bay vào hỗn hợp geopolymer xi măng, vữa<br />
và bê tông là điều cần thiết để giảm hiện tượng<br />
này, đồng thời ổn định cơ tính và giảm giá thành<br />
sản phẩm.<br />
<br />
Bột xi măng (hình 1a) và geopolymer xi<br />
măng sau khi đóng rắn (hình 1b) được chụp từ<br />
kính hiển vi điện tử quét (SEM). Bột xi măng<br />
nhìn chung có dạng sắc và nhọn. Từ hình 1b ta<br />
thấy trên bề mặt của geopolymer xi măng sau<br />
<br />
Hình 2. Biểu đồ phân bố kích thước hạt của tro bay<br />
tốt để kết hợp với geopolymer tạo thành hỗn hợp<br />
bê tông.<br />
1.3. Đá dăm và cát<br />
Đá dăm được sử dụng có kích thước tiêu chuẩn<br />
từ 5 mm đến 10 mm và cát mịn có đường kính từ<br />
0,14 đến 1,25 mm theo TCVN 7570 : 2006. Tất cả<br />
đá và cát đều được sấy khô trước khi đem đi chế<br />
tạo mẫu.<br />
<br />
1.2. Thành phần hóa học của tro bay<br />
Hình 3a mô tả tro bay có hình dạng sắc nhọn<br />
và có kích thước trung bình khoảng 3,55μm được<br />
quan sát bởi biểu đồ phân bố kích thước hạt (hình<br />
2). Từ giản đồ phân bố năng lượng quang phổ (hình<br />
3b) và bảng phân tích định lượng các nguyên tố hóa<br />
học, ta thấy tro bay có chứa hàm lượng Al và Si cao.<br />
Điều này cho thấy tro bay là nguồn nguyên liệu rất<br />
<br />
Hình 3. Hình SEM (a) có độ phóng đại từ 2000 đến 5000 lần<br />
và biểu đồ phân bố năng lượng quang phổ (b) của tro bay<br />
Bảng 2. Phân tích định lượng các nguyên tố hóa học của tro bay<br />
Yếu tố<br />
<br />
O<br />
<br />
Na<br />
<br />
Mg<br />
<br />
Al<br />
<br />
Si<br />
<br />
S<br />
<br />
K<br />
<br />
Ca<br />
<br />
Ti<br />
<br />
Fe<br />
<br />
As<br />
<br />
Nguyên tố [%]<br />
<br />
52,81<br />
<br />
1,81<br />
<br />
0,97<br />
<br />
14,73<br />
<br />
23,97<br />
<br />
0,39<br />
<br />
0,41<br />
<br />
1,69<br />
<br />
0,57<br />
<br />
2,57<br />
<br />
0,09<br />
<br />
Độ lệch chuẩn<br />
<br />
0,52<br />
<br />
0,10<br />
<br />
0,06<br />
<br />
0,18<br />
<br />
0,52<br />
<br />
0,05<br />
<br />
0,04<br />
<br />
0,29<br />
<br />
0,06<br />
<br />
0,11<br />
<br />
0,01<br />
<br />
2. Phương pháp chế tạo mẫu<br />
Công nghệ chuẩn bị mẫu được tiến hành như<br />
sau. Ban đầu trộn bột xi măng với dung dịch hoạt<br />
tính kiềm ở nhiệt độ phòng khoảng 5 phút với tốc<br />
độ 100rpm cho đến khi hỗn hợp được đồng nhất.<br />
<br />
Tiếp theo, đổ tro bay, cát hoặc đá dăm vào hỗn hợp<br />
và trộn khi hỗn hợp đồng nhất (khoảng 5 phút, tốc<br />
độ 100rpm). Đổ trực tiếp hỗn hợp vữa tươi hoặc bê<br />
tông tươi vào khuôn và đặt trên bàn rung khoảng 2<br />
phút để loại bỏ các bọt khí bên trong mẫu. Mẫu sau<br />
<br />
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 87<br />
<br />
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br />
khi đúc xong được bao phủ bằng túi nhựa khoảng<br />
48 giờ. Thử nghiệm cường độ chịu nén mẫu vữa<br />
được thực hiện với tiêu chuẩn của Úc AS 1012,9 với<br />
kích thước hình trụ là (Ø50 x 100) mm. Sử dụng tiêu<br />
chuẩn quốc tế ASTM C39 để kiểm tra cường độ chịu<br />
nén của bê tông với kích thước hình trụ là (Ø100<br />
x 200) mm. Sử dụng 4 mẫu thử cho mỗi lần thử<br />
nghiệm và tính giá trị trung bình. Kiểm tra cường độ<br />
chịu uốn được thử nghiệm với mẫu có kích thước là<br />
(40 x 40 x 160) mm theo tiêu chuẩn ASTM C348 - 08<br />
và thử nghiệm va đập mẫu vữa với kích thước là (10<br />
x 10 x 50) mm. Tất cả các mẫu này đều được xử<br />
lý ở nhiệt độ phòng 3 ngày sau khi đúc. Tiếp theo,<br />
tháo các mẫu ra khỏi khuôn và tiếp tục xử lý ở nhiệt<br />
độ phòng cho đến ngày thử nghiệm (7, 14, 28 và 90<br />
ngày đối với bê tông).<br />
3. Dụng cụ và thiết bị<br />
Kiểm tra độ sụt theo tiêu chuẩn C143/C143M,<br />
bê tông tươi được đổ vào khuôn hình nón cụt có<br />
chiều cao 300mm, đường kính đỉnh là 100mm,<br />
đường kính đáy 200mm.<br />
Kiểm tra uốn trên máy Instron Model 4202,<br />
tốc độ là 2,0 mm/phút và chiều dài nhịp là 120mm<br />
dựa theo tiêu chuẩn ASTM C78/C78M - 10. Kiểm<br />
tra nén được thực hiện trên máy VEB Werktoff<br />
Prufmaschinen Leipzig, 500 kN theo tiêu chuẩn<br />
ASTM C 31/C 31M - 03a.<br />
<br />
Soá 1/2013<br />
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br />
Hình 4 và 5 trình bày đường hồi quy tuyến tính<br />
của cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, môđun<br />
đàn hồi và năng lượng va đập so với tỷ lệ phần trăm<br />
của tro bay/xi măng có trong hỗn hợp. Các hình này<br />
cho thấy cơ tính của vữa geopolymer phụ thuộc vào<br />
tỷ lệ của tro bay/xi măng, cường độ giảm khi tăng tỷ lệ<br />
của tro bay/xi măng. Khi vữa và bê tông geopolymer<br />
không có phụ gia tro bay cho kết quả về cường độ<br />
chịu nén sau khi xử lý 28 ngày là 59 MPa và 34<br />
MPa, kết quả này cao hơn so với mẫu có phụ gia<br />
là tro bay. Tuy nhiên, khi chịu uốn thì mẫu không có<br />
phụ gia tro bay cho kết quả nhỏ hơn so với mẫu có<br />
tro bay, vữa geopolymer là 5,2 MPa và 6,7 MPa đối<br />
với bê tông geopolymer. Với tỷ lệ phần trăm giữa<br />
tro bay/xi măng bằng 0,5 (nghĩa là hỗn hợp mẫu<br />
MLF’-2 theo bảng 3) sẽ cho kết quả là lớn nhất. Mẫu<br />
vữa sau khi xử lý ở nhiệt độ phòng trong 28 ngày có<br />
trọng lượng riêng xấp xỉ là 1650 Kg/m3.<br />
Các thử nghiệm về năng lượng va đập được<br />
thực hiện trung bình 4 mẫu của mỗi hỗn hợp sau khi<br />
xử lý 28 ngày. Kết quả thử nghiệm được biểu diễn ở<br />
hình 5b. Năng lượng va đập và môđun đàn hồi tăng<br />
khi giảm tỷ lệ giữa tro bay/xi măng. Và cũng dễ dàng<br />
nhìn thấy rằng thời gian xử lý càng dài từ 7 ngày tới<br />
28 ngày thì môđun đàn hồi, cường độ chịu nén và<br />
cường độ chịu uốn đều tăng.<br />
<br />
Bảng 3. Thành phần hỗn hợp vữa tươi và bê tông<br />
Vật liệu<br />
Hỗn hợp<br />
<br />
Vữa<br />
<br />
Bê tông<br />
<br />
Ký hiệu mẫu<br />
<br />
Tro bay [%]<br />
<br />
Xi măng [%]<br />
<br />
Kiềm<br />
[%]<br />
<br />
Cát mịn [%]<br />
<br />
Đá dăm [%]<br />
<br />
Nước<br />
[%]<br />
<br />
MLF’-2<br />
<br />
20<br />
<br />
39.5<br />
<br />
40.5<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
MLF’-3<br />
<br />
30<br />
<br />
33<br />
<br />
38<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
MLF’-4<br />
<br />
40<br />
<br />
22<br />
<br />
38<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
MLF’-6<br />
<br />
25<br />
<br />
28<br />
<br />
38<br />
<br />
9<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
MLF’-7<br />
<br />
25<br />
<br />
23<br />
<br />
35<br />
<br />
17<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
MLF’-8<br />
<br />
25<br />
<br />
18<br />
<br />
32<br />
<br />
25<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
MLF’-9<br />
<br />
25<br />
<br />
12<br />
<br />
33<br />
<br />
30<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
MLF’-10<br />
<br />
25<br />
<br />
8<br />
<br />
31<br />
<br />
36<br />
<br />
-<br />
<br />
-<br />
<br />
M1<br />
<br />
20<br />
<br />
10<br />
<br />
8.5<br />
<br />
19<br />
<br />
38<br />
<br />
4.5<br />
<br />
M2<br />
<br />
15<br />
<br />
13<br />
<br />
11<br />
<br />
19<br />
<br />
38<br />
<br />
4<br />
<br />
M3<br />
<br />
15<br />
<br />
13<br />
<br />
15<br />
<br />
19<br />
<br />
38<br />
<br />
-<br />
<br />
M4<br />
<br />
10<br />
<br />
15<br />
<br />
18<br />
<br />
19<br />
<br />
38<br />
<br />
-<br />
<br />
M5<br />
<br />
10<br />
<br />
15<br />
<br />
18<br />
<br />
9<br />
<br />
48<br />
<br />
-<br />
<br />
M6<br />
<br />
10<br />
<br />
9<br />
<br />
14<br />
<br />
9<br />
<br />
58<br />
<br />
-<br />
<br />
88 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br />
<br />
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br />
<br />
Soá 1/2013<br />
<br />
Hình 4. Cường độ chịu nén (a) và cường độ chịu uốn (b) của vữa geopolymer<br />
<br />
Hình 5. Môđun đàn hồi (a) và năng lượng va đập (b) của vữa geopolymer<br />
<br />
Kết quả chụp từ kính hiển vi của hỗn hợp MLF’- 6<br />
đến MLF’-8 và SEM của hỗn hợp MLF’-6 được thể<br />
hiện ở hình 6. Quan sát hình ảnh bề mặt mẫu từ<br />
<br />
Fe2O3... chưa phản ứng từ nguyên liệu đầu. Vì vậy<br />
<br />
chính nhờ cấu trúc vô định hình liên tục này làm cho<br />
vật liệu geopolymer có cường độ cao.<br />
<br />
kính hiển vi ta thấy không có vết nứt, nhẵn và ít<br />
<br />
Từ hình 7, ta thấy các kết quả của hỗn hợp M1<br />
<br />
có sự thay đổi khi thành phần hỗn hợp khác nhau.<br />
<br />
và M2 là nhỏ hơn so với kết quả khác, bởi vì các<br />
<br />
Và khi quan sát bởi SEM, ta thấy trong cấu trúc vật<br />
<br />
hỗn hợp này được bổ sung nước, điều này nên hạn<br />
<br />
liệu các pha vô định hình liên tục và sít đặc. Theo<br />
<br />
chế trong geopolymer vì nước sẽ làm giảm nồng độ<br />
<br />
Zang, G. và cộng sự cho rằng chỉ có pha vô định<br />
<br />
kiềm dẫn đến quá trình geopolymer hóa giảm, các<br />
<br />
hình trong nguyên liệu mới tham gia phản ứng<br />
<br />
pha vô định hình bị gián đoạn và do đó làm giảm<br />
<br />
geopolymer hóa, còn các pha tinh thể như SiO2,<br />
<br />
cường độ chịu nén.<br />
<br />
Hình 6. Bề mặt của vữa geopolymer với các hỗn hợp từ MLF’- 6 đến MLF’- 8 phóng đại 500 lần và hình SEM<br />
của hỗn hợp MLF’- 6 phóng đại 2000 lần<br />
<br />
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 89<br />
<br />